Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ nhớ ngoài

+

Kiến trúc máy tính

Bộ môn Kỹ thuật máy tính và mạng

⁺Chương 6. Bộ nhớ ngoài

6.1. Đĩa từ

6.2. RAID

6.3. Ổ cứng trạng thái rắn (ổ cứng bán dẫn)

6.4. Bộ nhớ quang

6.5. Băng từ

+

Các loại bộ nhớ ngoài

 Đĩa từ:

 Ổ cứng

 Có thể được tổ chức dưới dạng một mảng nhiều đĩa từ để có hiệu quả lưu

trữ tốt hơn: RAID

 Ổ cứng trạng thái rắn

 Ổ cứng SSD

 Đĩa quang

 Băng từ

+

6.1. Đĩa từ

 Đĩa từ là một tấm platter tròn chế tạo bằng vật liệu không

từ tính, được gọi là chất nền (substrate), được phủ một lớp

vật liệu từ tính

 Chất nền thường là vật liệu nhôm hoặc hợp kim nhôm

 Gần đây người ta đưa chất nền thủy tinh

 Ưu điểm của chất nền thủy tinh:

 Cải thiện tính đồng nhất của bề mặt phim từ để

tăng độ tin cậy của đĩa

 Giảm đáng kể các khiếm khuyết bề mặt để giúp

giảm lỗi đọc-ghi

 Cho phép khoảng cách đầu đọc và bề mặt gần hơn

 Độ cứng tốt hơn nên giảm động lực đĩa

 Khả năng chống sóc và hư hỏng lớn hơn

+

a. Cơ chế đọc – ghi từ

. Dữ liệu được ghi vào, sau đó được lấy ra thông qua một cuộn

dây dẫn gọi là đầu (head)

. Nhiều ổ đĩa thường thiết kế dạng 2 đầu: đầu đọc và đầu ghi

riêng

. Trong quá trình đọc hoặc ghi, đầu đứng yên trong khi đĩa

xoay bên dưới

. Cơ chế ghi

+

o Dựa trên hiện tượng dòng điện chạy trong vòng dây tạo ra từ

trường trên khoảng trống, từ đó từ hoá một vùng nhỏ của bề

mặt ghi (bề mặt từ tính)

o Đảo chiều dòng điện sẽ đảo chiều hướng từ hóa trên bề mặt

ghi (bit 0 hoặc 1)

o Đầu ghi được làm bằng vật liệu từ hoá và có dạng hình chữ

nhật với một khoảng trống dọc một cạnh và một vài vòng dây

dẫn ở dọc cạnh đối diện

. Cơ chế đọc

o Khi bề mặt đĩa đi qua đầu (head), từ trường được phân cực ở

bề mặt đĩa sinh ra dòng điện . Hướng từ hóa (ứng với các bit

0 hoặc 1) khác nhau sinh ra dòng điện có chiều khác nhau

o Đầu đọc giống với đầu ghi nên chúng có thể sử dung chung

(vd: đĩa mềm)

o Tuy nhiên, một số ổ cứng người ta dùng đầu đọc – ghi riêng

cho phép hoạt động với tần số cao hơn và mật độ dữ liệu lớn

hơn

b. Bố trí dữ liệu và định dạng dữ

liệu trên đĩa

+

 Dữ liệu được bố trí thành các vòng trên

platter (gọi là các track). Độ rộng của

track bằng độ rộng của head

 Các track ngăn cách bởi một rãnh (gap)

để sự ảnh hưởng của track này đến track

khác gây là lỗi

 Các track được chia ra thành các sector.

Có hàng trăm sector trên một track.

 Dữ liệu được ghi vào và đọc ra từ các

sector. Sector có thể có kích thước cố

định hoặc thay đổi. Tuy nhiên, thông

thường sector có kích thước cố định và

bằng 512 byte.

 Giữa các sector cũng được ngăn cách bởi

các rãnh

+

Sơ đồ phương pháp bố trí đĩa

 Có hai phương pháp bố trí đĩa

 Vận tốc góc không đổi (CAV - constant angular velocity)

 Ghi nhiều vùng (multiple zone recording)

 Vận tốc góc không đổi

 Số lượng sector trên các track bằng

nhau

 Đĩa quay với vận tốc góc không đổi

 Truy cập dữ liệu: đầu đọc di chuyển

đến track chứa dữ liệu và chờ cho

đến khi sector đó quay đến

 Nhược điểm: số lượng sector ở các

track bên ngoài (dài hơn) bằng các

track bên trong (ngắn hơn)

+

Sơ đồ phương pháp bố trí đĩa (tiếp)

 Ghi nhiều vùng

 Chia bề mặt thành nhiều vùng

(zone) vành khăn (vùng đồng tâm)

(thường là 16 vùng)

 Trong một zone, số sector trên mỗi

track bằng nhau

 Các zone càng xa thì càng có nhiều

sector hơn zone trung tâm.

 Dung lượng lưu trữ lớn hơn CAV

 Nhược điểm:

 Mạch điện phức tạp hơn.

 Thời gian đọc/ghi dữ liệu trên

các track nằm trong zone khác

nhau thì khác nhau

+

Định dạng dữ liệu trên đĩa

 Một track thường có định dạng như sau (ví dụ với track có

30 sector):

+

Định dạng dữ liệu trên đĩa (tiếp)

 Khi truy cập (đọc hoặc ghi) dữ liệu trên đĩa: đầu đọc sẽ

được đặt ở vị trí đầu tiên của track

 Mỗi sector (kích thước 600 byte) chứa:

 512 byte dữ liệu, còn lại là thông tin điều khiển.

 Trường ID: địa chỉ hoặc các thông tin để xác định 1 sector duy nhất

 Synch byte: đánh dấu điểm bắt đầu một trường

 Track number: xác định một track

 Sector number: xác định một sector

 CRC: mã sửa lỗi

 Các thông tin điều khiển chỉ được đọc và sử dụng bởi ổ đĩa,

không được gửi ra ngoài.

+

c. Đặc tính vật lý của hệ thống đĩa

 Chuyển động đầu

-Đầu cố định

 Tấm platter

-Đơn tấm

-Đầu di chuyển

 Tính di động của đĩa

-Đĩa không tháo được

-Đĩa tháo được

 Mặt

-Đa tấm

 Cơ chế đầu đọc/ghi

-Tiếp xúc (đĩa mềm)

-Rãnh cố định

-Rãnh khí động học

(Winchester)

-1 mặt

-2 mặt

+

Đặc tính vật lý

Chuyển động đầu

 Đĩa có đầu cố định

 Một đầu đọc-ghi cho mỗi track

 Tất cả các đầu được gắn trên một cánh tay cố định kéo dài trên toàn bộ các track

 Đĩa có đầu di chuyển

 Một đầu đọc-ghi

 Đầu được gắn trên một cánh tay

 Cánh tay có thể kéo dài hoặc rút ngắn được để đặt vào tất cả các track

Tính di động của đĩa

 Đĩa không tháo được

 Gắn cố định vào ổ đĩa

 Đĩa cứng trong máy tính cá nhân là đĩa không tháo được

 Đĩa tháo được

 Có thể được gỡ ra và thay thế bằng một đĩa khác

 Ưu điểm:

 Dữ liệu không giới hạn

 Đĩa có thể được di chuyển từ hệ thống máy tính này sang hệ thống khác

 Ví dụ: đĩa mềm, đĩa cartridge ZIP

 Đĩa hai mặt

 Lớp phủ từ tính được phủ lên cả hai mặt của tấm platter

+

Đặc tính vật lý (tiếp)

Platter: đơn tấm hoặc đa tấm

 Đơn tấm: một ổ đĩa chỉ gồm một tấm

platter

 Đa tấm: một số ổ đĩa gồm nhiều tấm

platter xếp chồng lên nhau. Một hệ

thống gồm nhiều cánh tay có các đầu

đọc/ghi cho mỗi tấm.

 Tất cả các head có cơ chế di chuyển cố

định, cùng nhau. Tại cùng một thời

điểm các head sẽ được đặt vào các track

có cùng khoảng cách với tâm đĩa

 Tập các track như vậy được gọi là

cylinder

Tracks

Cylinders

+

Đặc tính vật lý (tiếp)

+

Cơ chế đầu đọc/ghi

 Đầu phải tạo ra hoặc cảm nhận một trường điện từ đủ lớn để ghi và đọc

đúng

 Đầu càng hẹp thì càng phải đặt gần bề mặt tấm platter để đảm bảo chức

năng đọc/ghi. Đầu hẹp hơn nghĩa là các đường track hẹp hơn, do đó

mật độ dữ liệu lớn hơn

 Đầu càng gần đĩa thì càng nhiều nguy cơ lỗi do tạp chất hoặc không

hoàn hảo

+

Cơ chế hoạt động của đầu đọc/ghi: 3 loại đĩa

 Loại đĩa thứ nhất có đầu đặt cách platter một khoảng

nhỏ (air gap)

 Loại thứ hai: đầu tiếp xúc với bề mặt đĩa. Đĩa mềm là loại

này: dung lượng nhỏ, giá thành rẻ

 Loại thứ ba: đĩa Winchester

 Được đóng gói kín, hầu như không có chất gây ô nhiễm

 Head được thiết kế để hoạt động gần bề mặt đĩa hơn so với

các đầu đĩa cứng thông thường, do đó mật độ dữ liệu lớn hơn

 Thực chất head là một tấm foil khí động học đặt trên bề mặt

tấm platter

 Khi đĩa quay: áp suất không khí sinh ra sẽ nâng tấm foil lên

khỏi bề mặt giúp tạo ra một khoảng cách đủ nhỏ giữa bề mặt

và foil tránh tiếp xúc nhưng cho khả năng đọc/ghi tốt hơn

Các thông số đĩa cứng điển hình

Table 6.2 Typical Hard Disk Drive Parameters

+

d. Các tham số hiệu năng

Các tham số để đánh giá hiệu năng của ổ đĩa gồm có:

 Thời gian truy nhập (access time): khoảng thời gian cần thiết

để đầu (head) vào vị trí đọc/ghi (sector được đọc/ghi)

 Tổng: Thời gian tìm kiếm (seek time) và Trễ quay (rotational delay)

 Thời gian tìm kiếm (seek time): khoảng thời gian đầu đọc/ghi di

chuyển đến vị trí track mong muốn (với đĩa có đầu di chuyển) hoặc

lựa chọn một đầu trên cánh tay (với đĩa có đầu cố định)

 Trễ quay (rotational delay): khoảng thời gian sau khi đầu đặt ở track

mong muốn đến khi đĩa quay đến sector mong muốn

 Thời gian truyền (transfer time)

 Khi đầu vào vị trí, thao tác đọc/ghi được thực hiện bằng cách đầu sẽ

đọc/ghi dữ liệu vào sector quay dưới nó. Khoảng thời gian truyền dữ

liệu để thực hiện thao tác này được gọi là thời gian truyền

+

Thời gian truyền I/O của đĩa

Bài giảng Kiến trúc máy tính - Chương 6: Bộ nhớ ngoài - Nguyễn Thị Phương